最全應用處理器晶片(APU)科普

APU（Application Processor Unit），又名應用處理器晶片，是在低功耗中央處理器的基礎上擴展音視頻功能和專用接口的超大規模集成電路，在智能設備在起著運算及調用其他功能構件的作用，集成了中央處理器、圖形處理器、視頻編解碼器、內存子系統等多個模塊。

上世紀70年代，Intel研發出第一款處理器晶片CPU並成為市場領導者。隨後進入智能移動時代，智慧型手機、智能可穿戴等設備開始興起，CPU逐漸向移動端發展，從注重高算力、高功耗的CISC向低功耗RISC轉變，相應誕生出了APU，主要運用於智慧型手機、平板、智能手錶等領域。ARM作為全球最大的APU IP廠商，佔據了APU市場90%以上的份額。

APU應用處理器的主要應用領域是智能移動領域與智能物聯領域，包括智慧型手機、智能平板等。早期的應用處理器以微縮版形式出現，隨著對功耗要求的不斷提高以及對小體積晶片的追求，應用處理器晶片逐漸成為可攜式消費電子的首選晶片。

有更高圖像處理能力的高端APU應用處理器晶片通常被使用在智能物聯硬體中，包括汽車電子、智能顯示屏等。由於智能物聯硬體對圖像處理器的要求更高，應用處理器晶片在圖像方面的技術也隨之快速發展。

指令集架構又稱架構或處理器架構，可以使用不同的處理器硬體實現方案來設計不同性能的處理器。在不同內核上，軟體無須做任何修改便可以完全運行在任何一款遵循同一指令集架構實現的處理器上。因此指令集可以當做在處理器底層硬體以及其上軟體之間的橋梁和接口。

處理器指令集架構一直是以x86與ARM雙巨頭壟斷為格局，2010年後隨著RISC-V架構的誕生，指令集架構市場開始出現三足鼎立的發展勢頭。其中x86架構主要佔據傳統PC市場，善於處理大數據；ARM佔據移動市場，善於處理快數據；而RISC-V則依靠自己精簡的優勢在數據傳輸領域佔據優勢。除此之外，其他指令集架構也佔據部分市場如MIPS、Power等。

處理器依靠指令來控制系統和完成數據運算，目前主要分為複雜指令集（CISC）及精簡指令集（RISC）兩種。

複雜指令集（Complex Instruction Set Computing）早期計算機部件昂貴、速度慢，為了擴展硬體功能而不得不將更多更複雜的指令加入作業系統以提高計算機的處理能力，程序的各條指令按順序串執行，每條指令中的各個操作也按順序串執行，主要以Intel、AMD的x86架構為代表。

精簡指令集（Reduced Instruction Set Computing）隨著半導體技術進步，80年代開始逐漸直接通過硬體方式，而非擴充指令來實現複雜功能，指令規模逐漸縮小，指令進一步簡化，主要為ARM、MIPS以及RISC-V等架構。

目前APU處理器主要使用精簡指令集（RISC），其中ARM佔據了大部分市場。ARM體系架構具有RISC體系架構的一般特點：指令格式長度固定；使用單周期指令流水線操作執行；使用大量寄存器，數據處理指令只對寄存器進行操作；只有存儲指令訪問存儲器等，提高指令的執行效率。

早期ARM處理器所支持的指令集較簡單，低功耗、低成本，適用於行動裝置等，因此被廣泛的應用於嵌入式領域。在ARMv7之前，由於性能的局限性只能專注於功耗比較敏感的行動裝置，而從ARMv7開始，在Cortex-A9之後，ARM處理性能得到很大提升，逐漸進入企業設備、伺服器等領域，目前最新ARMv8架構在內存、虛擬化以及安全性方面均有突破。

從應用領域劃分，ARM產品主要分為三個系列：Cortex-A、Cortex-R以及Cortex-M，分別針對應用作業系統（Application）、實時（Real-Time）和嵌入式（Embedded）。Cortex-A系列，被廣泛應用於行動裝置、網絡基礎設施、家庭和消費設備、車載信息娛樂和自動化系統，以及嵌入式設計等領域；Cortex-R系列具有高可靠性、高安全性等特點，主要應用於醫療及航空航天等領域；Cortex-M系列是為物聯網應用而開發的可擴展、高效率、易於使用的智能嵌入式應用處理器系列，可以幫助開發人員在短時間內，以較低的成本，通過代碼復用，標準安全機制和高效率的開放平臺開發出各種滿足市場要求的產品。

在精簡指令集中，除了ARM，RISC-V架構近年來也逐漸興起。RISC-V架構是一個基於精簡指令集的開源指令集架構，具備開源、架構簡單、易於移植、模塊化設計易擴展以及完整工具鏈等特點。與其他指令集相比，RISC-V可以自由地用於任何目的，允許任何人設計、製造和銷售RISC-V晶片或軟體，並且無需支付任何專利費用。

RISC-V最大的特性即在於「精簡」，作為新興架構，沒有向後兼容的歷史包袱，架構短小精悍，更加適合現如今越加火熱的IoT領域。面對IoT市場對AI晶片的高計算、低延遲性能要求，RISC-V架構的開源可以有效降低開發成本，讓用戶自由修改、定製，滿足市場「碎片化」需求。主要運用於智慧型手機、伺服器、存儲市場。

MIPS(Millions of Instructions Per Second)是一種簡潔、優化的RISC架構，出身名門由斯坦福Hennessy領導開發。自從1981年由MIPS科技公司開發並授權後，MIPS架構曾經作為最受歡迎的RISC架構被廣泛應用在許多電子產品、網絡設備、個人娛樂裝置與商業裝置上。在嵌入式設備與消費領域佔據很大份額，如SONY、Nintendo的遊戲機、Cisco的路由器以及SGI的超級計算機等。

錯失智慧型手機領域，被ARM後來居上。由於MIPS早起在市場的成功，使得其主要深耕電視、機頂盒以及遊戲機等細分市場。在智能移動市場，由於重視程度不夠，遲遲未能發布MIPS版Android，錯失手機市場，2012年、2017年相繼被迫賣出後，逐漸淡出市場。

Power架構是IBM開發的一種RISC架構指令集。1980年IBM推出了全球第一臺基於RISC架構的原型機，證明RISC相比CISC在高性能領域的明顯優勢。1994年IBM基於此推出PowerPC604處理器，性能一度處於世界領先水平。2013年IBM聯合NVIDIA等公司成立OpenPower開放聯盟，積極推動Power架構體系。

IBM的Power架構一直是高性能的代言。基於Power架構的IBM Power伺服器系統在可靠性、可用性和可維護性等方面表現出色，使得IBM從晶片到系統所設計的整機方案有著獨有的優勢。Power架構的處理器在超算、銀行金融、大型企業的高端伺服器等多個方面應用十分成功。IBM至今仍在不斷開發新的Power架構處理器如Power8、Power9等。

智慧型手機、平板APU市場：高通、華為海思、蘋果三強鼎立，其中高通憑藉基帶晶片方面優勢，佔據絕對優勢，2020年一季度三家分別佔據40%，20%、15%市場份額。而華為海思因受美國制裁等原因，預計未來APU市場佔比將會呈現較大下滑。智能平板領域同樣呈現寡頭壟斷局面，蘋果憑藉IPad佔據絕對優勢，2020年一季度佔全球45%市場份額。

IoT APU市場：物聯網下遊應用具有碎片化的特徵，產品應用功能多樣化，晶片更加注重低功耗，主要涉及智能家居、智能音箱、智能可穿戴、智能安防等領域。國產廠商在此領域較早布局，憑藉國內巨大市場空間，在全球處於領先水平，如全志科技、瑞芯微、富瀚微等。

隨著PC出貨量總體趨於穩定，以Intel、AMD為代表的x86 CPU市場增長放緩。而智慧型手機和平板電腦等行動裝置進入快速增長期，拉動APU迎來爆發式增長。據IDC數據顯示，2019年全球移動APU市場規模達340億美金，全球移動端APU出貨量接近18億個，預計2025年全球移動端APU市場規模將會達到560億美元，出貨量將突破22億。

IoT設備快速增長成為APU主要增長點。物聯網、5G等新興技術的發展積極推動IoT市場需求增長，2019年全球物聯網設備出貨量約為83億臺，據IDC預測，物聯網的全球市場規模將擴大近兩倍，2020年物聯網全球規模將達到約1.7萬億美元。APU作為IoT領域主要處理器晶片，將暢享發展紅利，市場前景廣闊。

5G與物聯網的發展不斷推動應用處理器需求增長。應用處理器領域範圍非常廣泛，是處理器除了伺服器 和PC領域之外的主要應用範圍。隨著技術發展，目前主要劃分為移動手持設備（Mobile Device）、實時 （Real Time）嵌入式領域以及深嵌入式領域（Deep Embedded）。

移動手持設備主要分為智慧型手機與手持設備，隨著技術發展，移動領域逐漸發展成為規模匹敵甚至超過PC領域的獨立市場，其主要被ARM Cortex-A系列處理器架構所壟斷。由於手機、平板領域的處理器需要加載Linux作業系統及複雜的軟體生態，具有同PC領域相似的軟體生態依懶性，因此ARM牢牢佔據市場統治地位，其他處理器架構難以進入。

實時嵌入式領域主要包括工業控制、軍事設備以及航空航天等領域，因下遊應用對系統的響應時間要求苛刻，因此需要嵌入式實時系統（Embedded Real-time Operation System,RTOS）。在這一領域，ARM憑藉IP授權模式的成功，也佔據大部分市場份額。

深嵌入式領域指傳統嵌入式領域包括智能家居等領域，下遊需求量巨大，但更加注重低功耗、低成本以及高能效比，且無需加載如Linux類型的大型應用作業系統，軟體大多採用定製裸機程序或者簡單ROTS，軟體生態依賴性相對較低，因此處理器架構很難形成絕對壟斷。目前這一領域仍然以ARM的Cortex-M處理器佔據絕大多數市場份額，但RISC-V憑藉簡單高效的架構，未來有望搶佔市場空間。

ARM是智能移動領域的絕對霸主，構築了城寬池闊的軟體生態環境。智能移動領域APU有著高性能、低能耗的要求。相較於x86，出身RISC的ARM能效比更高，通過授權IP的方式能夠有效滿足手機廠商不同的功能需求且費用也更低。此外ARM是市場上唯一能夠完全支持Android與iOS系統的APU架構，在靈活性、能效比、低成本以及生態領域都佔據了絕對優勢。

至今為止，ARM架構已經應用到全球85%的智能行動裝置中，其中有超過95%的智慧型手機都基於ARM設計。此外，ARM已與高通、谷歌和微軟等國際廠商建立合作關係形成強大的生態聯盟，已成為智能移動APU的不二選擇。

ARM架構在物聯網設備晶片中也佔據主導地位。ARM架構晶片聚焦於最佳能效，目前Cortex-M處理器系列已在物聯網市場有廣泛應用，可給物聯網場景提供良好支撐，下遊APU產品甚至將按照M0、M3以及M4等ARM內核種類來劃分。伴隨邊緣計算的發展，萬物互聯向萬物智聯的轉變，IoT設備性能要求也不斷提高，如智能音箱、智能家居等均開始支持AI語音及人臉識別功能，國產廠商龍頭如全志科技、瑞芯微等均採用了ARM架構的APU。

ARM與APU廠商互惠互利，ARM能夠為APU廠商提供IP。作為全球最具影響力的處理器IP廠商，ARM通過其獨特的授權模式，吸引了眾多APU生產廠商如手機APU廠商蘋果、高通，國內物聯網應用APU龍頭全志科技、晶晨股份等。通過與ARM合作，APU廠商能夠直接使用ARM架構或內核，並且在SoC開發階段得到借鑑與指導，降低晶片研發門檻與成本，同時減少晶片設計時間。

APU廠商幫助ARM完善其生態體系。ARM本身不生產晶片，其生態體系建設大多依靠下遊晶片廠商完成。APU廠商通過其產品不斷滲透，建立軟體生態，提高市場對ARM的黏性，從而綁定某一應用領域。如蘋果新款MAC將使用ARM架構，會助力其PC生態體系建設；華為ARM架構伺服器助力ARM完善伺服器生態；物聯網領域，隨著國產廠商的發展滲透，國產龍頭如全志、晶晨有望助力ARM在未來完善IoT應用領域生態建設。

ARM(Advanced RISC Machines)是一家誕生於英國的處理器設計與軟體公司，總部位於英國劍橋，最早由Arcon、Apple和VLSI合資成立，主要出售晶片設計技術的授權。目前，ARM架構處理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式應用領域佔據領先地位。自2000年以來，全球算力結構發生巨大變化，2020年ARM總算力輸出已達到全球82%，成為世界最大算力架構。

ARM是全球最大的IP廠商，未來10年ARM將會重寫x86輝煌。2019年基於ARM授權的晶片出貨量達228億顆，全球採用ARM授權IP開發的晶片出貨量總計超1800億顆。在智慧型手機市場，ARM佔據絕對優勢，與Android聯合形成軟硬體生態體系，佔全球智慧型手機市場90%以上份額。除此之外，ARM積極布局IoT、PC及伺服器領域，蘋果日前於WWDC20會議上宣布將MAC產品線向ARM平臺遷移，預計兩年時間完成。

ARM的成功一方面來自於處理器自身的優良性能，具有體積小、低功耗等特點，另一方面也得益於其獨特的公司運作模式。最初由於在處理器市場的劣勢地位，ARM僅出售自身的智慧財產權（IP內核）給各大晶片公司。目前全世界有幾十家大型半導體公司都使用ARM公司的授權，從ARM公司購買其設計的ARM處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM處理器晶片進入市場。

ARM IP授權費用主要包括兩部分：晶片公司每設計一款晶片都需要支付一筆前期授權費（Upfront License Fee）；之後晶片大規模生產銷售後，則每賣出一片晶片均需要按其售價向ARM公司支付一定比例版稅（Royalty Fee），由於ARM架構現已佔據絕大多數的市場份額，形成完整軟體生態環境，在移動和嵌入式領域的晶片廠商，購買ARM處理器IP成為其首選。

ARM公司的授權方式主要有三種，按照自主程度以及費用越來越高分別為使用層級授權、內核架構授權以及指令集架構授權。使用授權、內核授權：中小型公司大多購買使用層級或者內核架構授權，授權費用相對較低，甚至ARM對Cortex-M3和M0還免除前期授權費，以鼓勵更多小公司購買；

指令集架構授權：ARM架構授權價格極其昂貴（高達千萬美元量級），遠遠高於直接購買「ARM IP」所需的前期授權費，同時深度定製自研處理器需要解決極高的技術難度與投入高昂的研發成本。只有實力最為雄厚的晶片公司才具備購買能力，目前僅有「蘋果」「高通」「華為」等巨頭。憑藉獨特授權模式，ARM已與眾多合作夥伴一起構建出了強大的ARM陣營。

獨特商業模式使得ARM強者恆強。ARM從未自己生產商用晶片，只將處理器原始碼的智慧財產權（IP）授權給合作商，也正是因為這一獨特的商業模式，使得ARM能夠借鑑Intel的經驗，構建出自身的軟硬體生態平臺。從Nokia Symbian系統的ARM7TDMI，到MTK山寨機的ARM9，再到iPhone4的Cortex A8，最終到現在統治蘋果及Android手機市場的Cortex A系列，無論合作廠商成功與否，ARM始終是移動處理器領域的霸主，相較於x86，ARM授權模式所建立的生態體系甚至更加全面。

積極布局物聯網領域，搶先構建生態體系。2013年ARM收購芬蘭物聯網軟體公司Sensinode，並積極推廣NanoStack等產品，目標將從硬體到軟體完整的覆蓋整個物聯網領域。目前ARM的Cortex-A和Cortex-M已分別成為移動與物聯網領域的王者。

Cortex-A是一組用於高性能低功耗應用處理器領域的32位和64位RISC處理器系列，其中Cortex-A9作為首款支持ARMv7-A架構的多核處理器，成為當時智慧型手機市場標配。Cortex-A系列性能強大且更新迭代速度快，年均一款新品的頻率使其競品還未推出便已過時，導致眾多巨頭紛紛放棄自研處理器業務。目前已有超過95%的智慧型手機搭配ARM架構，強大的生態護城河使得其他架構處理器基本失去進入手機市場可能。

Cortex-M是一組用於低功耗微處理器領域的32位RISC處理器系列，包括Cortex-M0、M7及M33等。其中M3是Cortex產品中應用最廣泛的一款，體積小可廣泛應用於各類嵌入式智能設備。Cortex-M3與Cortex-M0的合計出貨量己經超過200億片，據稱每30分鐘的出貨量就可以達到25萬片，至今全球已有超過60家公司獲得Cortex-M授權，中國大陸廠商近10家。

復刻Intel成功秘笈，構建嵌入式軟硬體護城河。上世紀Intel在PC及伺服器處理器市場大殺四方，取得統治性的地位，除自身高超的CPU設計水平與工藝製造水平外，還要歸功於與微軟構建「Wintel」聯盟從而形成軟硬體生態平臺。

在健全的CPU生態體系中，配套企業將適應關鍵軟硬體的開發進度進行技術研發與適配：Intel的CPU晶片革新拉動微軟為X86晶片適配新一批的Windows系統以及應用程式等軟體，而新的作業系統發布有又將進一步帶動PC需求，從而刺激更高技術CPU的研發與需求。軟硬體相互協同，使得Wintel聯盟壟斷桌面端長達20多年。不難看出，一款處理器能否成功不光取決於其性能，是否有軟體生態支持以及ISA根基是關鍵。

同Intel與微軟建立PC端軟硬體生態系統類似，ARM在智能移動市場也建立了自己的生態體系。通過大量的架構授權，ARM打通了客戶間的軟體生態體系。1993年ARM獲得德州儀器訂單從而進入諾基亞手機晶片給ARM帶來絕佳發展機遇，此次ARM獲得極大成功並證明了其在手機市場極高的適用性，吸引了數百家客戶。在同時期Intel相繼拒絕高通、蘋果的合作邀請，MIPS還在專攻高清盒子、路由器等市場時，ARM已在手機市場得到諾基亞以及蘋果等公司支持，隨著移動手機的井噴式爆發，ARM也進入高速發展軌道。

蘋果作為ARM早期股東之一，其產品一直使用ARM架構，隨著iPhone開啟智慧型手機時代，App Store的崛起也讓全球移動應用徹底綁定ARM架構，伴隨Android也開始支持ARM，ARM智能移動霸主地位徹底確立，其建立的ARM生態體系也讓其他處理器架構難以進入智能移動市場。

通過獨特的授權模式，ARM像Intel一樣建立了強大的ARM架構陣營，構建了自己的生態體系。目前全世界幾乎大多數主流晶片公司都直接或間接地在使用ARM架構處理器。相較於「Wintel」聯盟的軟硬體生態體系，ARM在更深層的軟硬體開發方面建立了獨特的生態優勢，對於業界SoC設計團隊來說，ARM提供的生態體系更是成為不可或缺的氧氣。

對於SoC開發來說，設計驗證、物理設計以及軟體開發是影響硬體開發及軟體堆層的三大關鍵因素。ARM積極構建的生態體系對於購買其授權的合作夥伴提供了晶片設計及開發所需的廣泛工具和支持，可以將設計人員連接到由兼容CPU核心、工具、中間件和應用程式軟體組成的龐大生態系統，能夠大大縮短晶片的設計成本並縮短上市時間。

ARM產業生態：優化驗證環節，提供IP模塊簡化流程

設計驗證（Design Verification）包括輔助邏輯設計和測試的硬體和軟體工具。SoC經常混合授權和內部設計的內核，除非以前產品直接沒有更改的使用了內部設計，否則工程團隊通常會花費大量時間來驗證其RTL設計是否能夠達到要求；而在組合不同來源的核心交互時也常會因細微的問題導致調試交互、設計更改，大大延長開發時間造成進度風險。

相較於其他處理器架構，ARM在這一問題方面完全驗證了RTL核心，通過不斷地生產測試晶片來確保質量，以此來支持購買其IP授權的合作夥伴。同時ARM還提供許多IP模塊，這些模塊事先經過預驗可以一起工作，同時採用標準SoC接口等，以此為開發者簡化設計過程，另外提供參考設計來為設計人員提供完整的RTL用於整個晶片，使設計人員可以根據需求修改和擴展平臺，無需從頭開始創建晶片。

物理設計（Physical Design）包括幫助RTL轉換為可製造晶片的設計流程和物理IP。當RTL驗證完成後，研發團隊需要開發物理布局，對多個設計來源的核心需要不同的設計流程來正確編譯，同時還要滿足fab的設計規則，而初始布局往往不能滿足所有過程變化的時間安排因此必須迭代布局直到滿足所有的設計規則和時間要求，因此物理設計往往是開發過程當中最耗費時間的階段之一。

在此方面ARM為EDA公司提供參考流程，幫助設計者在滿足設計規則的同時，更快的生成布局，確保功率分配、定時以及噪音等指標的確定，幫助設計者完成最終設計；對於想要更簡單流程的客戶，也可以選擇與ARM的設計服務供應商合作，以此更快的完成ARM IP的物理設計。

軟體生態（Software Ecosystem）包括開發工具、作業系統、驅動程序和保證運行在兼容CPU上的應用程式。豐富的軟體生態能夠決定一款處理器的成敗，因此晶片設計公司的軟體工程師和硬體工程師往往一樣多，來為客戶提供應用程式代碼。

ARM作為最受開發人員歡迎的指令集架構提供了廣泛的代碼開發工具。作業系統方面，ARM覆蓋從Android到Zephyr的各個領域，其Mbed作業系統包括用於安全性和連接性的中間件，是運用於物聯網嵌入式領域的重要功能；與此同時，像Microchip、NXP、瑞薩、意法半導體以及德州儀器等廠商均提供包含ARM處理器的開發板，使得程式設計師能夠快速測試和調試代碼，加速SoC研發進度，使產品更快進入市場。也正是這些兼容性使得ARM在過去幾十年吸引了大量軟體開發者，建立了一個繁榮的生態體系。

經過幾十年的發展，ARM建立了一套成功的生態體系並實現良性循環。因為支持眾多設計與開發人員，使得越來越多的第三方想要將軟體、工具及開發板融入ARM，這種晶片基礎設施建設的廣泛性也鼓勵了更多的設計開發人員進入ARM生態體系。

雖然得到ARM的生態支持需要購買其授權，但對於大多數廠商來說，處理器的授權費只是設計預算的一小部分，選擇開源的低成本架構往往可能會產生更多的隱性成本，如創建驗證模型、工具流和庫代碼等，同時因任何bug導致的進度延遲及軟體問題都有可能造成更大的損失。據ARM統計數據顯示，開發一款28nm SoC，ARM生態系統能夠為其節約近千萬美元成本，同時縮短開發時間。

5G有大帶寬高速率、低時延高可靠和海量連接三大特點，其中超低時延的特性可支持單向空口時延最低1ms級別、高速移動場景下可靠性接近100%的連接；同時，5G網絡每平方公裡連接數達到百萬級別，可滿足物聯網通信所需的低成本和低功耗要求。5G以大帶寬、低時延、廣連接的優勢使得海量數據的有效傳輸成為可能，為物聯網產業提供了更安全、更可靠的網絡連接。

5G網絡構築AIOT萬物智聯的基礎設施。AIOT是AI與IoT的結合，二者通過廣泛持續的連接，獲取AI人工智慧深度學習所需要的海量數據，AI將取得的數據進行智能識別處理，最終實現特定功能，讓物聯網設備的簡單連接上升為智能連接。在AIOT時代，物聯網下遊應用空間廣闊。

應用處理器APU在嵌入式物聯網領域有著廣泛的應用，主要包括智能家居、智能音箱、智能機頂盒以及智能安防等。在手機應用處理器領域，因技術相對複雜，工藝製程限制，國產廠商僅華為海思一家處於世界先進水平，而國產APU廠商主要覆蓋物聯網領域，如全志科技、瑞芯微以及晶晨股份等。

隨著AIoT技術進步，物聯網領域出貨量逐步提高，拉動APU需求不斷增長。據IDC數據顯示，2019年全球智能家居設備市場同比增長26.9%，出貨量將達到8.327億臺；2016年智能音箱全球出貨量約為590萬臺，2019年出貨量增至1.47億臺，增幅近25倍。隨著AIoT技術成熟，多樣化下遊應用的不斷發展，應用處理器在物聯網領域的需求將會隨著物聯網產品出貨量的增長而不斷提高。

智能家居市場的產品主要包括智能照明、智能音箱、智能開關等智能單品和掃地機器人、智能家電等智能設備。近年來，隨著無線連接技術以及低功耗晶片設計技術的發展與成熟，智能家居的價格逐漸開始減低，消費市場漸漸接受，智能家居行業也開始真正快速發展。根據IDC全球智能家居數據報告顯示，2022年全球智能家居出貨量將達到13億臺，行業規模將達到2769.82億美元。

我國智能家居市場空間廣闊。相較於歐美智能家居市場，我國智能家居市場方興未艾，市場空間巨大，近年來隨著國家政策的鼓勵支持、行業技術的成熟發展，智能家居市場的滲透率以及市場規模將會不斷擴大。預計2020年我國智能家居滲透率將持續上升，市場規模達到6000億元。

嵌入式應用處理器成為主流。智能家居發展經歷了許多階段，起初由於智能化程度低，功能相對較少，一般選擇以單晶片為核心的微控制器。隨著家電智能化的發展，邊緣計算等技術的興起，計算核心也逐漸向嵌入式應用處理器轉變，具有操作內核小、效率高，高度的模塊化和擴展性等特點，主流有ARM Cortex-M系列。

智能家居有望拉動APU高增長。Cortex-M系列是目前智能家居市場主流APU晶片內核，由於其體積小功耗極低，非常適合於嵌入式智能設備如智能家居溫控器以及智能燈泡等。近年來智能家居行業的爆發，基於Cortex-M3及Cortex-M0的APU晶片累計出貨量已超過200億片。目前相較於發達國家，國內智能家居行業還處於初級階段，隨著將來滲透率的不斷提升，APU市場規模有望進一步提高。目前國內智能家居APU晶片供應商包括有全志科技、晶晨股份、樂鑫科技等。

智能音箱是近年來市場增速最快的智能產品之一。智能音箱市場在亞馬遜、蘋果、谷歌、阿里巴巴、百度、京東、小米等網際網路巨頭的強力推廣下，一個新的智能語音交互生態系統已經形成雛形。據Strategy Analytics數據顯示，2016年智能音箱全球出貨量約為590萬臺，2019年出貨量增至1.47億臺，增幅近25倍。

國內智能音箱滲透率低，市場前景廣闊。預計到2020年底，美國的智能音箱普及率將會達到50%，成為世界上首個達到這一級別的國家，未來四年將會有八個歐美國家達到這一門檻。我國智能音箱市場普及率仍然較低，2019年約為10%，與發達國家差距明顯，市場發展空間巨大。

音箱的發展是一個從有線到無線，從單一連接到雲端連接的過程。最初的傳統音箱僅僅可以滿足音頻的播放功能，連接需要配置音頻線；由於藍牙的出現，音箱開始可以與手機等終端通過藍牙信號進行無線連接。而Wi-Fi連接方式的出現使得智能音箱可通過該信號進行雲端連接，語音交互功能也因此在多個終端得以實現。

邊緣計算興起，音頻智能晶片對算力需求越來越高。隨著智能音箱的發展，功能逐漸多樣化，新的音頻晶片需逐漸成為獨立的智能化運算平臺，需要同時具備支持多個功能，包括語音喚醒、實時翻譯等。而基於ARM架構的APU滿足低功耗，性能高等要求，逐漸成為智能音箱首選。

為了能夠更好的與雲端實現交互，智能音箱的主要核心技術還在向智能喚醒與交互快速發展，對內置處理器的算力要求逐步提升。從2014年亞馬遜第一代Echo智能音箱開始，市場逐步開始支持語音喚醒功能。該功能對處理器晶片的計算能力有明顯的要求提升，包括對關鍵詞的識別、回波消除等。智能交互則要求處理器晶片可獨立處理完成後的音頻數據，再上傳到雲端後在進行理解，從而做出相應的控制。

主動降噪成為了智能音箱必要技術。由於主動降噪不同於以往的環境降噪，其需要通過聲學算法反向抵消噪聲，單晶片需要擁有較高的算力才可以達到這一功能，因此對APU算力要求不斷提高。在智能音箱晶片領域，國內廠商包括全志科技、瑞芯微以及晶晨股份等，其中全志科技在行業具有技術領先優勢。

機頂盒作為智能家居中不可缺少的終端硬體，會在超高清視頻的趨勢下得以快速發展。自數字時代以來，我國4k電視機滲透率逐年遞增，預計到2021年底達到70%的滲透率。為應對4k電視的全面普及，機頂盒需從單一解碼設備向集成眾多功能於一身的智能終端進行轉變從而來滿足對超高清視頻的轉化。

未來機頂盒對內部APU的技術要求會逐步升高，從而來滿足機頂盒智能化、平臺化的趨勢發展。隨著物聯網、5G產業的不斷發展,機頂盒將成為電視、網絡和程序之間的智能設備,並配合各類應用終端來擴展基於家庭通信、娛樂和生活應用的各項服務，例如高清機頂盒的多媒體應用功能，高清解碼功能以及錄像功能等。

機頂盒作為智能控制終端在智能家居領域得到廣泛應用，全球機頂盒出貨量穩步上升。據中商情報網數據顯示，2017年，全球機頂盒市場需求量為3.15億臺，預測2022年全球電視機頂盒市場需求將達到3.37億臺，其需求呈穩步增長的態勢。

中國的機頂盒製造產業一直處於全球前列，並以製造機頂盒佔全球機頂盒出貨總量的85%以上成為全球最大的機頂盒製造基地。據格蘭研究數據顯示，截至2019年第一季度，中國機頂盒市場累計出貨量已超過8.2億臺，2019年第一季度機頂盒累計出貨量增長率為2.0%，整體呈現緩慢增長的態勢。

國內機頂盒市場主要分為IPTV市場和OTT市場，兩者的主要區別在於傳輸媒介的不同，前者主要通過運營商所負責的IP專網來開展以電視為終端的視頻業務，而後者主要通過網際網路來傳輸視頻業務。OTT機頂盒市場在近五年來年增長率保持在40%以上，而IPTV機頂盒市場則保持在20%的年均增長率。

在國內機頂盒晶片零售市場方面，晶晨股份作為行業龍頭佔據了主要市場份額，2018年國內零售市場高達市場的63%，且市場佔有率呈現逐年提升的趨勢；瑞芯微和聯發科也佔據了一定市場份額，分別為10%和12%。未來，受中美貿易戰影響，華為海思晶片存在無法穩定供貨的可能，其他國內廠商整體市場份額存在潛在提升空間。

應用處理器APU是安防視頻監控設備的核心部件，會直接影響到系統的圖像質量、碼流控制能力、智能識別效率、穩定性以及功耗等性能表現。在智能安防領域，處理器晶片主要包括模擬攝像機中的ISP晶片、網絡攝像機中的IPC SoC晶片，錄像存儲端對應的DVR SoC/NVR SoC晶片以及深度學習算法晶片。除高端算法晶片目前仍被國外大廠壟斷，其他三種晶片已逐漸實現國產替代。

近年來，我國安防視頻監控行業呈現快速發展趨勢，視頻監控設備放量推動處理器晶片增長。據Statista數據顯示，2019年全球視頻監控攝像市場規模236億美元，2025年將會達到440億美元。隨著視頻監控智能化、網絡化的發展，網絡攝像機以及模擬高清攝像機替代趨勢明顯，應用於其中的IPC SoC晶片以及ISP晶片未來5年將會取得快速增長。

隨著網絡傳輸深度學習算法和晶片性能的提升，安防行業開始從「看得見」，「看得清」步入「看得懂」的智能化時代。視頻監控智能化在部分應用領域已經展現出其強大的效能，如車輛違章自動抓拍、人員侵入自動報警等。未來，智能化分析憑藉其即時、準確、低成本的優勢，在更多視頻監控應用場合取代人力將是大勢所趨。

人工智慧賦能安防，各類基於人工智慧技術的垂直應用不斷湧現。視頻監控系統前後端均實現智能化，前端「智能化」，後端「雲化」，並逐漸演變為「邊緣節點」、「邊緣域」、「雲中心」三個層次，雲邊融合的產業生態圈成為安防系統正在發生的新趨勢。

物聯網對智能安防的技術支持主要體現在智能安防中的核心部分——安防視頻監控。如平安城市的聯網監控，物聯網能夠使分散的監控資源整合成為按地區區域劃分的一體化監控資源，並將地區資源整合成為一個廣域監控資源。更關鍵的是，物聯網幫助智能安防監控衍生出各種智能視頻分析技術，智能視頻監控迎來巨大的發展機遇。

作為國內安防市場佔比最高的子行業，我國視頻監控市場維持強勁上漲態勢，發展速度遠超全球其他地區。據中商產業研究院數據顯示，2012-2016年間我國視頻監控市場均維持15%以上增長率，2017年我國視頻監控市場首次突破2000億元，2019年達到2790億元。根據中商產業研究院統計，全國視頻監控市場將在2020年底突破3000億元。

安防行業經歷了模擬監控、數位化、高畫質化、智能化幾個階段，在整個演變過程和未來發展脈絡中安防晶片很大程度上影響著安防系統的整體功能、技術指標、穩定性、能耗、成本等。

具體而言，視頻監控系統的前、後端設備都需要相應晶片的支持：前端設備完成對視頻信號的獲取，包括一臺或多臺攝像機及其配套設備，完成圖像、語音、報警和狀態信息的採集。攝像機將現場情況拍攝成為模擬/數字視頻信號，傳輸到監控系統中，對應模擬攝像機需要ISP晶片，網絡攝像機需要IPC APU晶片；後端設備包括控制、顯示、存儲等。控制端完成視頻信號的顯示切換、雲鏡的控制、資源的分配，實現調度管理的功能；顯示端完成對視頻信號終端設備的輸出；錄像存儲端主要完成數字視頻信號存儲和回放，對應模擬攝像機需要DVR APU晶片，網絡攝像機需要NVR APU晶片。

IPC APU通常包含ISP模塊和視頻編碼模塊，經過攝像機前端圖像傳感器採集的視頻原始數據經過ISP模塊處理後，送到視頻編碼模塊進行壓縮。壓縮後的視音頻碼流通過網線或者無線鏈路傳輸到後端NVR，NVR對視音頻數據進行接收處理並存儲，後期需要回溯時可調出存儲的視音頻數據進行檢索回放。

IPC結構複雜，包括多種功能模塊。在前端IPC APU晶片領域，通常集成了嵌入式處理器（CPU）、圖像信號處理（ISP）模塊、視音頻編碼模塊、網絡接口模塊、安全加密模塊和內存子系統，部分晶片還集成了視頻智能處理模塊。一般而言，前端智能化的實現即通過在IPC APU中集成視頻智能處理模塊。據IHS數據顯示，2013-2018年，中國視頻監控處理器晶片市場規模複合增長率為15.1%，視頻監控圖像傳感器市場規模複合增長率為11.9%。

國內安防視頻監控競爭格局呈現高集中度，其中海康威視、大華、宇視三大廠共佔有56.4%的中國市場。國產安防監控終端的高集中度也推動IPC APU晶片的市場呈現高集中度。

IPC APU晶片市場提升空間大，是國內各大安防晶片廠商競爭的焦點。在安防監控網絡化、智能化已成趨勢的當下，應用IPC APU晶片的網絡攝像機佔比逐年提升，也是安防晶片廠商重點開拓的方向。根據前瞻產業研究院數據顯示，2018年該市場最主要的玩家包括海思、星宸科技、德州儀器（TI）、安霸。其中德州儀器與海思憑藉其出色的性價比，目前已佔有較高的市場份額。此外，星宸科技、富瀚微、國科微、北京君正也將IPC晶片作為重點培育的方向，均不斷有新產品落地，並獲得了較高的營收增速，未來將成為IPC晶片領域有力的競爭者。

根據Strategy Analytics的報告顯示，2020年Q2全球智慧型手機應用處理器市場收益份額排名前五的分別是：高通，海思，蘋果，聯發科以及三星LSI。其中高通以32%的收益份額排名第一，海思和蘋果以22%和19%的收益份額緊隨其後。

2020年第二季度，全球智慧型手機應用處理器銷售額達到58億美元。上半年受疫情影響，智慧型手機APU出貨量同比下降13%，但5G領域仍保持高增長。下半年隨著疫情影響減弱，市場逐漸回暖以及iPhone 5G手機的發布，手機APU市場有望迎來高增長。

5G基站超50萬，建設進度遠超預期。據工信部日前發布報告稱，我國5G商用已正式啟動，建成5G基站超過50萬個，5G終端連接數已超過1億，平均每周新開通基站超1.5萬個，「十三五」網際網路普及率預期目標已提前完成。伴隨著5G基礎設施建設的加快，5G手機的出貨量也將持續增長。

5G推動手機出貨量增長，APU應用處理器市場需求廣闊。隨著5G基站的建設完成，我國5G用戶目前已超1.1億個，5G時代手機仍是移動端核心產品，滲透率將會不斷提高。2020年1-8月，我國5G手機累計出貨量達9367.9萬部，佔比46.3%。在4G手機發展飽和階段，市場需要尋求突破，5G手機換機潮將會成為非常好的發展機遇，同時帶動手機應用處理器市場需求不斷提高。

全球智慧型手機市場規模超5000億美元。自2016年以來，全球智慧型手機市場逐漸飽和，連續多年持續負增長態勢，隨著5G技術的發展與5G手機滲透率的逐步提高，全球智慧型手機市場將開始新一輪增長，據IDC數據顯示，2019年全球智慧型手機出貨量13.71億臺，預計2020年全球5G手機出貨量約2.4億臺，其中中國市場5G手機出貨量將超過1.6億臺，並且在未來5年內持續佔據全球一半以上的市場份額。

隨著5G時代的到來，5G手機在處理器、射頻以及濾波器等組件方面將有明顯提升。伴隨5G手機銷量的增長，我們預計5G手機產生的需求將持續拉動智慧型手機APU市場增長。

後疫情時代，在線教育火爆，平板電腦市場迎新增長點。2020年第二季度，中國平板電腦市場出貨量約661萬臺，同比增長17.7%，其中消費市場出貨約561萬臺，佔比高達85%。疫情期間因在線教育產生的需求得到延續，智能平板迎來新增長點，進入發展快車道。

學生平板市場表現良好，出貨量大增。2020年二季度中國學生平板電腦市場出貨量約63萬臺，同比增長29.9%，其中步步高、讀書郎、優學派、小霸王以及好記星分別佔據行業前五份額。目前主流學生平板大多使用高通驍龍處理器晶片以及聯發科APU晶片，而隨著在線教育持續發展滲透，學生平板出貨量有望進一步提升，將會積極推動APU放量。

網際網路+教育規模擴大,成為平板電腦成長主要驅動力。《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》中提出鼓勵採取「同步課堂」、在線開放課程等方式，幫助缺乏師資的邊遠貧困地區學校利用信息化手段提高教學質量。在今年針對「新基礎設施」的5G創新應用指標中，國家發展和改革委員會明確為智能教育提供關鍵支持。截至2020年3月，我國在線教育用戶規模達4.23億，較2018年底增長110.2%，佔網民整體的46.8%。

平板電腦需求不斷釋放。智能教室和其他項目將在各級學校中得到持續推動，教育行業對平板電腦的需求將繼續增長。2019年平板電腦市場規模約為384億美元，預計到2024年將達到約600億美元，在2019年至2024年之間的複合年增長率約為7.2％。

全球平板電腦出貨量呈正增長。新冠疫情的衝擊給線上教育、辦公、醫療等在線經濟帶來新一輪成長機會，終端設備尤其是平板電腦需求旺盛。根據MarketLine的數據，2019年全球平板電腦市場規模達到384億美元，中國市場平板電腦市場規模為114億美元。2020年二季度，全球平板出貨量約為4330萬部，環比上季上升34.06%，同比去年當季上升15.78%。

近兩年中國平板電腦出貨量呈上升趨勢，蘋果、華為出貨量佔據前兩位。2019年，蘋果在中國的平板電腦出貨量約為856萬臺，華為約為737萬臺。

物聯網下遊具有碎片化特徵，多樣化需求下ARM未來優勢減弱。在智慧型手機APU市場，ARM憑藉構築的複雜生態體系，佔據了絕對統治地位，而藉助其APU IP商業推廣的成功，在物聯網領域ARM目前也佔據了較大份額，但尚未形成壟斷地位。隨著物聯網的發展，其碎片化特徵逐漸明顯，下遊應用多點開花，各類需求也應運而生，單一的處理器內核授權難以滿足所有需求，在此趨勢下ARM未來優勢減弱。

物聯網下遊廠商大多規模較小，目前行業仍處於起步階段，相較高昂的APU IP授權費，更希望使用開源免費的架構。IoT市場眾多，但很難再有某一領域成長為智慧型手機市場類似的巨大規模，直接購買內核IP難以滿足各類需求，而架構授權高昂的授權費又讓廠商難以承受，因此在物聯網領域，ARM缺點逐漸明顯。

相較於ARM，開源的RISC-V更具未來。隨著物聯網時代逐漸開啟，有分析稱2020全球用戶數量將會達到300億以上。回顧歷史，Intel通過硬體開發標準化，完成了5億PC用戶的普及；ARM通過晶片標準化，將晶片IP授權完成了25億手機用戶的推廣。如今面對上百億的IoT市場，數以千萬計的不同應用需求，需要一種更開放的形式推動，即開源，只有開源，才能降低門檻，加快技術迭代速度，實現技術普及，滿足市場需求。

開源免費構築RISC-V未來。ARM被軟銀收購後，從自主可控角度出發，受制於人的潛在問題在所難免。相比於ARM，RISC-V完美解決了ARM的缺點：1）開源共享，不屬於某一家公司，無受制於人隱憂；2）開發共贏作為基本原則，有統一的非營利組織制定規則，任何人都可以永久免費的使用架構，進行公平競爭。

RISC-V指令集是基於精簡指令集原理建立的開放指令集架構（ISA），由美國加州大學伯克利分校教授於2010年發明。因x86和ARM高昂的專利及授權問題，伯克利研究團隊選擇不出合適的指令集架構使用，最終決定研發出一款全新、簡單且開發免費的指令集架構，於是誕生出RISC-V架構。

RISC-V誕生於高校，起初專為研究機構使用，因此也成為一種完全開發的指令集，可以被任何學術機構或商業組織所使用，同時也是一種真正適合硬體實現且穩定的標準指令集。作為指令集架構，RISC-V極大地降低了CPU設計準入門檻，在學術界與業界均獲得眾多支持，如伯克利、谷歌、英偉達等，2016年RISC-V基金會正式成立開始運作，其生態產業也開始進入快速發展期。

RISC-V優勢一：模塊化指令集滿足AIoT差異化需求

與傳統指令集架構不同，RISC-V的指令集使用模塊化的方式進行組織，每一個模塊使用一個英文字母表示。RISC-V最基本且唯一強制要求實現的指令集部分是有I字母表示的基本整數指令子集，能夠實現完整的軟體編譯器。其他指令子集部分為可選模塊，具有代表性的模塊包括M/A/F/D/C等。

RISC-V為實現不同設計要求，可提供不同模塊子集。為提高代碼密度採用壓縮指令子集用C表示，為進一步減少面積採用嵌入式架構用字母E表示。除此之外還有若干模塊以滿足各種不同需求，通過這些模塊化指令集，開發者可以快速選擇不同組合來滿足不同的應用，簡潔、模塊化、可擴展，能夠滿足AIoT萬億級市場的差異化需求。

相較於x86與ARM架構數千頁的架構文檔，RISC-V簡單直接，其架構文檔分為指令集文檔和特權架構文檔，其中指令集文檔100多頁，特權架構文檔不到百頁，基本指令數目僅幾十條，擁有短小精悍的架構特點。同時RISC-V擁有模塊化特徵，能夠使開發者選擇不同的模塊進行組合，以滿足不同應用場景的需求。針對小面積、低功耗的嵌入式場景，可選擇RV32IC組合指令集，而針對高性能應用作業系統場景，則可選擇RV32IMFDC指令集，大大降低開發難度。

此外，RISC-V還擁有簡潔的存儲器訪問指令、可配置的通用寄存器組、規整的指令編碼以及高效的分支跳轉指令等優點，配合其簡潔、模塊化指令特點極其適合低功耗嵌入式場景領域。

RISC-V優勢三：先進指令架構，多領域支撐市場發展

處理器技術經歷幾十年發展演進，不斷發展成熟，現階段處理器往往需要（1）指令集儘可能規整以設計出更高的主頻與更低面積（2）以IoT應用為主的極低功耗處理器更加苛求低功耗與低面積；（3）存儲器資源也更加豐富，因此導致很多早期RISC架構設計理念過時，成為負擔。同時作為商用架構需要保持向前和向後的兼容性，且在定義新架構部分時往往需要為適應舊定義而放棄簡單化設計，因此架構十分冗長。早期RISC架構往往在高性能處理器硬體設計和及低功耗處理器設計兩方面難以平衡。

RISC-V架構得益於後發優勢，對於計算機發展多年暴露出的問題能夠很好的規避，同時不存在向後兼容的歷史包袱，設計理念先進，更加適合運用於新興技術領域。

物聯網下遊應用具有碎片化的特徵，從技術方面來看RISC-V架構十分滿足物聯網下遊應用需求。在靈活性與多樣性方面，RISC-V架構預留了大量編碼空間及用戶指令，能夠讓用戶自由修改、擴展以滿足其不同應用需求；在功耗方面，物聯網下遊應對多數採用嵌入式處理器，相較性能更加注重晶片低功耗特點，RISC-V擁有精簡的指令架構，十分滿足下遊需求。

物聯網作為一個新興領域，場景碎片化，晶片難以批量使用，因此重視研發成本，同時包含大量初創公司，難以支付高額授權費用，而相比於x86與ARM架構高昂的授權費及專利保護，RISC-V完全開源免費，能夠有效降低開發成本，完美契合物聯網特徵。

由於x86與ARM架構極高的授權壁壘，以及中美摩擦下，晶片國產自主化進程的加速，我國急需一種新的處理器架構以滿足自主化需求。RISC-V架構有著（1）開發共享，不屬於某一家商業公司私有；（2）以開放共贏為基本原則，任何公司和個人都可以永久免費使用等特徵。目前中國已成為RISC-V陣營中堅力量，在我國半導體國產化進程加速大背景下，RISC-V有望成為國產處理器崛起契機。

英偉達收購ARM，或將利好RISC-V。隨著英偉達宣布收購ARM，市場對於ARM能否繼續保持中立產生懷疑態度，授權公司不得不開始尋求潛在解決方案，因此RISC-V有望進一步擴大自身市場份額。

中國作為RISC-V陣營的中堅力量，一直致力於建立RISC-V生態體系。近年來，國產廠商相繼發布多款基於RISC-V指令集的產品，包括華米科技、兆易創新、以及全志科技等。2018年9月，中國RISC-V產業聯盟成立，同年11月中國RISC-V生態聯盟成立，加速推動中國RISC-V產業化發展。

目前，國內外已有多家晶片企業投入大量資金研發RISC-V在IoT領域的應用，2019年兆易創新攜手芯來科技合作研發了基於RISC-V內核的量產通用MCU產品，面向物聯網及其它超低功耗場景；另外全志科技已和阿里巴巴平頭哥達成戰略合作，共同布局RISC-V生態，研發全新計算晶片應用於工業控制、智能家居以及消費電子等領域，預計三年出貨5000萬顆。憑藉開源、低功耗等特點，RISC-V有望成為國產APU發展新機遇。

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